17_详解YUV

本文的主角是多媒体领域非常重要的一个概念：YUV。

简介

YUV，是一种颜色编码方法，跟RGB是同一个级别的概念，广泛应用于多媒体领域中。

也就是说，图像中每1个像素的颜色信息，除了可以用RGB的方式表示，也可以用YUV的方式表示。

vs RGB

对比RGB，YUV有哪些不同和优势呢？

体积更小

• 如果使用RGB
  • 比如RGB888（R、G、B每个分量都是8bit）
  • 1个像素占用24bit（3字节）
• 如果使用YUV
  • 1个像素可以减小至平均只占用12bit（1.5字节）
  • 体积为RGB888的一半

组成

RGB数据由R、G、B三个分量组成。

YUV数据由Y、U、V三个分量组成，现在通常说的YUV指的是YCbCr。

• Y：表示亮度（Luminance、Luma），占8bit（1字节）
• Cb、Cr：表示色度（Chrominance、Chroma）
  • Cb（U）：蓝色色度分量，占8bit（1字节）
  • Cr（V）：红色色度分量，占8bit（1字节）

YCbCr 当Y等于0.5时

兼容性

原始图像 RGB YCbCr

根据上面的图片，不难看出：

• Y分量对呈现出清晰的图像有着很大的贡献
• Cb、Cr分量的内容不太容易识别清楚

此外，你是否感觉：Y分量的内容看着有点眼熟？其实以前黑白电视的画面就是长这样子的。

YUV的发明处在彩色电视与黑白电视的过渡时期。

• YUV将亮度信息（Y）与色度信息（UV）分离，没有UV信息一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的
• 这样的设计很好地解决了彩色电视与黑白电视的兼容性问题，使黑白电视也能够接收彩色电视信号，只不过它只显示了Y分量
• 彩色电视有Y、U、V分量，如果去掉UV分量，剩下的Y分量和黑白电视相同

转换

公式1

Y = 0.257R + 0.504G + 0.098B + 16
U = -0.148R - 0.291G + 0.439B + 128
V = 0.439R - 0.368G - 0.071B + 128

R = 1.164(Y - 16) + 2.018(U - 128)
G = 1.164(Y - 16) - 0.813(V - 128) - 0.391(U - 128)
B = 1.164(Y - 16) + 1.596(V - 128)

• RGB的取值范围是[0,255]
• Y的取值范围是[16,235]
• UV的取值范围是[16,239]

公式2

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = 0.564(B - Y) = -0.169R - 0.331G + 0.500B
V = 0.713(R - Y) = 0.500R - 0.419G - 0.081B

R = Y + 1.403V
G = Y - 0.344U - 0.714V
B = Y + 1.770U

• RGB的取值范围是[0, 1]
• Y的取值范围是[0, 1]
• UV的取值范围是[-0.5, 0.5]

公式3

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = -0.169R - 0.331G + 0.500B + 128
V = 0.500R - 0.419G - 0.081B + 128

R = Y + 1.403(V - 128)
G = Y - 0.343(U - 128) - 0.714(V - 128)
B = Y + 1.770(U - 128)

• RGB的取值范围是[0, 255]
• YUV的取值范围是[0, 255]

色度二次采样

原理

人眼的视网膜上，分布着两种感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。

视网膜

• 视杆细胞

  • 感知光线的强弱
  • 没有色彩识别功能
  • 负责夜间非彩色视觉

• 视锥细胞

  • 感知颜色
  • 负责白天彩色视觉
  • 如果你的视锥细胞发育不正常，数量太少，那感知颜色就会受阻，可能会导致你色弱

视杆细胞和视锥细胞

人眼中有上亿个感光细胞，其中视杆细胞占了95%，而视锥细胞仅占5%。

因此，人眼对亮度的敏感程度要高于对色度的敏感程度，人眼对于亮度的分辨要比对颜色的分辨精细一些。

如果把图像的色度分量减少一些，人眼也丝毫感觉不到变化和差异。

概念

如果在色度分量上进行（相对亮度分量）较低分辨率的采样，也就是存储较多的亮度细节、较少的色度细节，这样就可以在不明显降低画面质量的同时减小图像的体积。上述过程称为：色度二次采样（Chroma Subsampling）。

采样格式

采样格式通常用A:B:C的形式来表示，比如4:4:4、4:2:2、4:2:0等，其中我们最需要关注的是4:2:0。

• A：一块A*2个像素的概念区域，一般都是4
• B：第1行的色度采样数目
• C：第2行的色度采样数目
  • C的值一般要么等于B，要么等于0

色度二次采样 色度二次采样

上图中，不管是哪种采样格式，Y分量都是全水平、全垂直分辨率采样的，每一个像素都有自己独立的Y分量。

4:4:4

• 第1行采集4组CbCr分量，第2行采集4组CbCr分量
• 每1个像素都有自己独立的1组CbCr分量
  • Y分量与CbCr分量的水平方向比例是1:1（每1列都有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的垂直方向比例是1:1（每1行都有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的总比例是1:1
• 1个像素占用24bit（3字节），跟RGB888的体积一样
  • 24bpp（bits per pixel）
• 这种格式是没有进行色度二次采样的

4:4:4

叉叉代表：亮度。

圆圈代表：色度。

4:2:2

• 第1行采集2组CbCr分量，第2行采集2组CbCr分量
• 水平方向相邻的2个像素（1行2列）共用1组CbCr分量
  • Y分量与CbCr分量的水平方向比例是2:1（每2列就有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的垂直方向比例是1:1（每1行都有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的总比例是2:1
• 1个像素平均占用16bit（2字节）
  • 16bpp
  • 因为2个像素共占用32bit（4字节 = 2个Y分量 + 1个Cb分量 + 1个Cr分量）

4:2:2

4:2:0

• 第1行采集2组CbCr分量，第2行共享第1行的CbCr分量
• 相邻的4个像素（2行2列）共用1组CbCr分量
  • Y分量与CbCr分量的水平方向比例是2:1（每2列就有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的垂直方向比例是2:1（每2行就有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的总比例是4:1
• 1个像素平均占用12bit（1.5字节）
  • 12bpp
  • 因为4个像素共占用48bit（6字节 = 4个Y分量 + 1个Cb分量 + 1个Cr分量）

4:2:0 MPEG-1 4:2:0 MPEG-2

存储格式

存储格式，决定了YUV数据是如何排列和存储的。本文只介绍一些常见的存储格式。

分类

YUV的存储格式可以分为3大类：

• Planar（平面）
  • Y、U、V分量分开单独存储
  • 名称通常以字母p结尾
• Semi-Planar（半平面）
  • Y分量单独存储，U、V分量交错存储
  • 名称通常以字母sp结尾
• Packed（紧凑）
  • 或者叫Interleaved （交错）
  • Y、U、V分量交错存储

4:4:4

4:4:4

Planar

• I444

Y Y Y Y
Y Y Y Y
U U U U
U U U U
V V V V
V V V V

• YV24

Y Y Y Y
Y Y Y Y
V V V V
V V V V
U U U U
U U U U

Semi-Planar

• NV24

Y Y Y Y
Y Y Y Y
U V U V U V U V
U V U V U V U V

• NV42

Y Y Y Y
Y Y Y Y
V U V U V U V U
V U V U V U V U

4:2:2

4:2:2

Planar

• I422

Y Y Y Y
Y Y Y Y
U U
U U
V V
V V

• YV16

Y Y Y Y
Y Y Y Y
V V
V V
U U
U U

Semi-Planar

• NV16

Y Y Y Y
Y Y Y Y
U V U V
U V U V

• NV61

Y Y Y Y
Y Y Y Y
V U V U
V U V U

Packed

• UYVY

U Y V Y U Y V Y
U Y V Y U Y V Y

• YUYV

Y U Y V Y U Y V 
Y U Y V Y U Y V 

• YVYU

Y V Y U Y V Y U
Y V Y U Y V Y U

4:2:0

4:2:0

Planar

• I420
  • 大多数视频解码器以I420格式输出原始图片

Y Y Y Y
Y Y Y Y
U U
V V

I420

• YV12

Y Y Y Y
Y Y Y Y
V V
U U

Semi-Planar

• NV12

Y Y Y Y
Y Y Y Y
U V U V

• NV21

Y Y Y Y
Y Y Y Y
V U V U

4:2:0

格式转换

其他图片格式转YUV

ffmpeg -i in.png -s 512x512 -pix_fmt yuv420p out.yuv

上述命令生成的yuv文件大小是：393216字节 = 512 * 512 * 1.5字节。

• -s
  • 设置图片的尺寸
  • 可以用一些固定字符串表示尺寸，比如hd720表示1280x720
  • 如果不设置此选项，默认会跟随输入图片的尺寸
• -pix_fmt
  • 设置像素格式
  • 可以通过ffmpeg -pix_fmts查看FFmpeg支持的像素格式
  • 如果不设置此选项，默认会跟随输入图片的像素格式
    • 比如可能是rgb24、rgba8、pal8等
    • 可以通过ffprobe查看某图片的像素格式，比如ffprobe in.png

YUV转其他图片格式

ffmpeg -s 512x512 -pix_fmt yuv420p -i in.yuv out.jpg

• 这里必须得设置YUV的尺寸（-s）、像素格式（-pix_fmt）
• 这就类似于：对pcm进行编码时，必须得设置采样率（-ar）、声道数（-ac）、采样格式（-f）

显示YUV

完整的YUV

可以通过ffplay显示YUV数据。

• YUV中直接存储的是所有像素的颜色信息（可以理解为是图像的一种原始数据）

• 必须得设置YUV的尺寸（-s）、像素格式（-pix_fmt）才能正常显示

• 这就类似于：播放pcm时，必须得设置采样率（-ar）、声道数（-ac）、采样格式（-f）

ffplay -s 512x512 -pix_fmt yuv420p in.yuv

# 在ffplay中
# -s已经过期，建议改为：-video_size
# -pix_fmt已经过期，建议改为：-pixel_format
ffplay -video_size 512x512 -pixel_format yuv420p in.yuv

单个分量

可以使用过滤器（filter）显示其中的单个分量（r、g、b、y、u、v）。

# 只显示r分量
ffplay -vf extractplanes=r in.png

# 只显示g分量
ffplay -vf extractplanes=g in.png

# 只显示b分量
ffplay -vf extractplanes=b in.png

# 只显示y分量
ffplay -video_size 512x512 -pixel_format yuv420p -vf extractplanes=y in.yuv
# 只显示u分量
ffplay -video_size 512x512 -pixel_format yuv420p -vf extractplanes=u in.yuv
# 只显示v分量
ffplay -video_size 512x512 -pixel_format yuv420p -vf extractplanes=v in.yuv

• -vf
  • 设置视频过滤器
  • 等价写法：-filter:v
• extractplanes
  • 抽取单个分量的内容到灰度视频流中